）Ｉ：１０．３９６９４．ｉｓｓｎ．１００９—８４７Ｘ．２０１７．０７．０１０ 国 再生制动基本原理 基于回收能量最大化的 再生制动系统分析 李古月 李军 （１）再生系统结构 再生系统由再生制动系统和机械制动系 统组成，具体结构如下页图１所示１２１。机械制 动系统在原有基础上增设了踏板位移传感器、 液压控制模块 再生制动系统包括驱动轴电 动机和储能装置。 （２）再生制动原理 具有再生功能的纯电动车，在减速或者 制动工况下．电机能够提供部分或者全部的 制动力，在确保车辆制动安全性的同时能够 回收部分能量储存在能量电池中．对于减少 制动能量的损失，增加车辆续航里程有明显 的作用。当电动汽车减速或者制动时，电机 提供一个反向转矩给驱动轮，此时电机处于 发电状态，将部分动能转化为电能储存在储 能装置中，从而达到再生利用的目的。本文 选取前驱电动汽车为对象来施加受力分析， 如下页图２所示㈣ 汽车在运行过程中，牵引力Ｆｔ满足： Ｆｔ：Ｆｌ＋Ｆ，＋Ｆｒ卜Ｆ （１） 再生系统介入制动发电时，任意时刻总功率： ｒｒ ｒｒ Ｅ＿－ｆ Ｆ ＋Ｆ ＋Ｆ ＋ｌｌ旦＋ 垦１Ｖ 、 ｒ ｒ （２） 引直………………………一 纯电动汽车通过驱动电机，可以实现 生制动功能．回收传统汽车在制动过程中 制动功率： ＰＩ （Ｆ Ｉ＋Ｆ ）Ｖ （３） 再生制动功率： Ｐ ＝Ｆ Ｖ （４） 是的部分能量＿】Ｉ。再生制动系统是电动汽 拘重要组成部分，其减少了制动过程中能 ｊｌ勺损失，改善了电动汽车的能量使用率， 且优化了经济性，增加了续航里程。本文 ：屯电动汽车再生制动系统为目标对象，在 角了其原理和制动工况基础上，分析对能 上式（１）一（４）中：Ｆ。为滚动阻力（Ｎ）、 Ｆ加速阻力（Ｎ）、Ｆ｜坡道阻力（Ｎ）、Ｆ 为空气 阻力（Ｎ）、Ｆ 为前轴地面制动力（Ｎ）、Ｆｘｌ￣２为 后轴地面制动力（Ｎ）、Ｔｆ。为前轴滚动阻力偶 矩（Ｎ・Ｍ）、 为后轴滚动阻力偶矩（Ｎ・Ｍ）、 ｒ为车轮半径（Ｍ）、Ｖ为车速（ｍ／ｓ）、Ｆ 为再 Ｉ］收的影响原因和控制策略。 关键词 生制动力（Ｎ）。 基金项目：重庆市自然科学基金重点项目（ＣＳＴＣ２０１３ｙｙｋｆＢ０１８４）。重庆市重点实验室项目（ｃｓｃｔ２０１５ｙｆｐｔ—ｚｄｓｙｓ３０００１。ｃｓｔｃ２０１５ｙｆ－ ￣ｄｓｙｓ３０００） 汽车工业研究・月刊２０１７年第７期 统汽车而 ，在减速和滑行等巾轻度刹车工况 中，电动机以及轮毅处于无功率输出时间，而 这两部分时间的比例占额为一般电动车行驶路 况的４４％，所以一般电动车在行驶的过程中， ５ 大约有４０％的时问，电动机以及轮毅处于无功 率输｝｝Ｊ状态，这部分能量被浪费掉了 。 （３）下长坡时制动 ６ 汽车长缓坡行驶或制动时。其行驶速度 并不高，制动力需求不高，可完全南电刹车 完成制动，最大程度地实现长下坡制动能量 回收 １．电机与驱动器２．回路５．位移传感器——一３．制动主缸储液室６．电池４．液压控制单元 ７．ＡＢＳ ８．真空泵 ——————…——一————． √＾＼Ｉ——————一…、、 ．．．． ．．．．．．．．．． ．．．．．．．．。．．．．．． ．．．．．．，．． ． ．． ．． ．．．．． ．． ．．， ．，．． ． ．．．．．．．．．．．．．．．． ．一 国 能量回收最大化影响因素 反映能量回收的原因很多。其中主要影 响因素有蓄电池组状态、制动力比例分配、 制动工况分析 驱动的形式、电机的特性、行驶工况、控制 策略等 。 （１）紧急制动 （１）蓄电池组的状态 为了保证电池的正常使用，需要充分关 注电池的状态。当蓄电池荷电状态或者温度 超过规定值，为了保护蓄电池组，均不宜进 行制动能量回收，否则会损伤蓄电池寿命并 且有可能引发安全问题。另外，充电电流或 当汽车处于紧急制动状况下，基于安全 方面的因素，该Ｔ况应完＝牟＝为机械刹车，整 个过程不存 制动能鲢凹收。 （２）中轻度制动 中轻度制动中的减速过程由电刹车完成， 停止过程由机械刹车负责。通过电机发电特 功率过大会造成电池组温度随之快速升高， 此时也不能进行制动能量回收。 性来切换两种刹车。从图３可以看出，对于传 汽车工业研究・月刊２０１７ｇ第７期５７ （２）制动力分配比例 再生制动能量回收的实现依靠驱动电机 施加的再生制动力来实现电机的反转从而回 收损失的能量。那么对于实现回收能量最大 化而言，电机反转提供的制动力占需求制动 力的比例十分关键。在确保制动安全性的基 础下，再生制动力占比越高，更容易实现能 量回收最大化。 （３）驱动形式 Ｋｖ 汽车驱动形式有前轮驱动、后轮驱动、 四轮驱动三种形式。驱动电机产生的再生制 动力只能作用于驱动轮，因此只能回收驱动 轮上的制动能量。因此，与前驱、后驱相比， 四轮驱动电动车能回收更多的能量。 （４）电机特性 八 能够回收的能量也就不同，在城市道路工况 下，特别是上下班高峰期，需要频繁制动． 电动机是影响制动能量回收的重要因素 之一。在电机工作时，满足电机的输出外特 性：电机转速在基速以下时输出恒定转矩， 功率与转速呈比例关系；电机转速在基速以 上时，随转速增加输出转矩不断减小，功率 输出保持恒定．如图４所示。 制动的频率较高但强度不高，因而回收能量 相对较多；若在高速公路工况下，不需要频 繁的制动，因而制动能量回收相对较少。 （６）控制策略 在保证制动安全的条件下，最合理的分 配传统摩擦制动力和再生制动力的比例。最 大程度的实现能量回收。一方面，必须控制 （５） 代入车速系数，如图５所示，电机的再生 制动力矩为： Ｔ ．Ｋ 驱动电机产生期望的再生制动力；另一方面， 式中Ｔ 。为电机的最大输出转矩（Ｎ・Ｍ）。 （５）行驶工况 应满足驾驶员给出的制动力命令。控制策略 的合理性决定了能量回收效率，因此控制策 略对于制动能量回收致为关键。 行驶工况的不同，汽车的制动强度不同， 再生制动策略控制分析 电机 转矩 在保证整车制动安全性的基础上，使能 电机 功率 量回收实现最大化。具体到实际工况，就是 使传统制动力与再生制动力达到合理匹配， 在保证制动稳定性的前提下考虑到制动力需 求、电机所能提供的最大功率以及能量储存 装置的充电等因素，并结合控制的难易 电机转速 程度及成本，制定电动机进行再生制动的方 法，同时控制策略应与ＡＢＳ、ＥＳＰ等系统相融 合，不影响其性能。 ５８汽车工业研究・月刊２０１７年第７期 （１）最大回馈功率制动 在制动过程中最大程度地回收能量为目的 但是此方式存在不足：需要控制电枢电 流，要按时获取汽车的阻力，因而加大控制 的不确定性，实现起来难度较大。 （３）恒定力矩制动 是最大回馈功率制动 的特点。该策略通过 对制动中电枢电流进行控制，充分增大能量 回收功率。该策略的充电电流和回收功率为： Ｉ－一丽Ｅ２，在制动过程中满足 ≤ ．ＩＩ，ｉＩ≤ ｌ自勺 ｎ 陪盖，ｘ１＝５０％ （６） 条件下保持电枢电流恒定被称为永磁直流电 机。此策略可以实现制动力矩和制动踏板开 度同步增大，这与不同踏板开度对应不同制 由上式可得，该策略使回馈能量的最大 效率可达到５０％。 最大回馈功率制动多用于电力机车，因 为这种类型的车辆可以直接从交流电网得到 电能．回收的电能可以直接回馈电网。此控 制策略也可以用于电动自行车和电动ｌ－轮等 功率较小的场合，因为这些电动机功率较小 且电枢电阻较大，因而不会产生过大的电枢 电流和充电电流，但有如下缺点： ①采用这种制动方式时，南于电枢电阻 小，因而即使在电动机转速很低时，也会产 生过大的电枢电流和蓄电池充电电流。 动力矩的传统汽车液压制动系统相比．满足 车速线性下降的规律，也符合驾驶员操作特 性。所以此策略具有一定的优越性。为了保 证蓄电池的安全，要求蓄电池的充电电流不 可以大于其规定值，这就了所采用的恒 定电枢电流的大小．而且在踏板开度一定的 情况下，随电机转速的下降，虽然电枢电流 保持恒定，但充电电流持续减小。因此，该 策略不能有效地回收能量。 （４）恒定充电电流制动 为了避免充电电流过大，文献提出了恒 定电流制动方式，以蓄电池充电电流为被控 ②当纯电动汽车采用最大回馈功率方式 制动时，电动机转速出现以指数倍速度下降 的情况，这不太符合驾驶员的驾驶习惯。所 以，将最大回馈功率制动应用于电动车，必 须处理好过大充电电流的安全问题，以及由 制对象，在车辆制动工况下，控制系统维持 蓄电池充电电流不变，兼顾能量回收与系统 保护，是更为实用的控制策略。但是在车辆 处于制动状态下，电枢电流会持续增大，因 而会出现超过其规定值的情况。所以必须对 充电电流的大小进行。当制动踏板开度 此造成的对电源系统寿命的影响。 （２）最大回馈效率制动 最大回馈效率制动是以制动过程中回馈 效率最大为目的，回收的能量最多，但制动 距离最长，该过程中，车速按照抛物线规律 下降。 整车回馈效率为： ＝ 与充电电流同步时，在同一踏板开度下，随 着车速减少，车辆将获得逐渐增加的制动力， 给驾驶员带来操作上的不习惯。 结语 取ｄ√ｃＬⅡ＝０，得到该策略下的电机电枢电 流表达式： 本文在介绍电动汽车再生制动系统的结 构及分类的基础上．分析了电动汽车再生制 Ｉ ＩＲ “一 盟 ＫＲ 里 （８） 动的影响因素和控制策略。针对几种不同的 控制策略，对其特点进行总结。恒定回馈功 率制动策略回的回馈能量的最大效率可达到 ５０％。但蓄电池组的充电电流和电枢电流会超 式中，Ｔｖ为电动机负载转矩（Ｎ・Ｍ），Ｋ 为反电动势系数，【０为电动机转速（ｍ／ｓ），Ｒ 为电动机等效内阻（ｎ）。 汽车工业研究・月刊２０１７年第７期５９ Ａ ｌｖＳ。 过限值，安全性相对较差。最大回馈效率制 动控制策略其Ｍ收能量可以实现最大化．但 【５】谭元文，刘溧．电动汽车再生制动系统的 结构及控制策略研究ｌ＿Ｊ］．北京汽车，２００７，０５ （５）：ｌ５一ｌ８． 由于控制复杂，系统协制难度大，实用 性差ｌ１． 定力矩制动控制策略通过对电枢电 流的恒定控制，能实现制动力矩和踏板开度 同步增大，具有一定的优越性，但是其不可 【６】刘志强，过学迅．纯电动汽车电液复合再 生制动控制［Ｊ】．中南大学学报（自然科学版）， ２０１ｌ，４２（９）：２ ６８７￣２ ６９１． 持续有效的回收能量。而恒定电流制动控制 策略兼顾能量同收与系统保护，是一种更实 用的控制策略。 （责任编辑石 荣） 【７】叶永贞．电动汽车制动能量回收系统研究 ［Ｄ】．青岛：青岛理工大学，２０１３． 【８１王雪．混合动力再生制动能量回收控制策 略的研究［Ｄ］．长春：吉林大学．２０１４． 【９】惠登峰．纯电动汽车再生制动控制策略研 参考文献 【１】Ｅｈａｓａｎｉ Ｍ Ｇａｏ Ｙｉ—ｍｉｎ，Ｂｕｈｅｒ Ｋ Ｉ ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔ ｒｉｃａｌｌｙ ｐｅａｋｉｎｇ ｈｙｂｒｉｄ（Ｅｌ ＰＨ）ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ 究［Ｊ］．汽车使用技术，２０１６，５ ｆ５）：１３６～ｌ３９． 【ｌ０】叶敏，郭金．电动汽车再生制动及其控制 技术【Ｍ】．北京：人民交通出版社，２０１３． ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ａ ｆｕｌｌ ｓｉｚｅ【 ．Ｖｅｈｉｃｕｌａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＩＥＥＥ １９９９，４８（２）；Ｉ ７７９￣１ ７８７． 【２】王猛，孙泽昌，卓桂荣．电动汽车制动能 量回收系统研究［Ｊ］．农业机械学报，２０１２，４３ （２）：６－１０． 【３］王猛，孙泽昌，卓桂荣．电动汽车制动能 量回收最大化影响因素分析［Ｊ］．同济大学学报 （自然科学版），２Ｏｌ２，４０ ｆ４）：５８３～５８８． （４Ｊ曾正策．混合动力公交车制动系统研究 【Ｄ】．武汉：武汉理工大学，２００４． 重要启事：即日起，请各位 读者速到当地邮局办理２０ １ ７年 《汽车工业研究》杂志（邮发代 号：１ ２—１４７）订阅事宜，本刊概 不办理邮订业务。敬请谅解！ ６０汽车工业研究・月刊２０１７年第７期
